Introduccion

OBJETIVOOBJETIVO

Manejar la interfaz de Aspen y Hysys y resolver balances de materia y

energía

MSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez SanabriaSanabria

SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOSSIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

Generalidades Definición Reseña Histórica Estrategias de simulación Aplicaciones

Modelamiento matemático Simuladores de procesos

Comerciales Módulos simuladores y tutoriales Programas específicos


GENERALIDADESGENERALIDADES

La simulación consiste en la representación virtual de un proceso mediante un modelo matemático que describe un fenómeno físico-químico, de forma tal que permite obtener información acerca de su comportamiento.

El simulador es el programa que permite la solución numérica del modelo.


BREVE RESEÑA HISTÓRICA BREVE RESEÑA HISTÓRICA El inicio de la simulación como una tarea

científica y tecnológica válida fue una consecuencia natural de la aplicación de los computadores a la solución de problemas en el campo de la ingeniería química.

El alcance de un simulador de procesos químicos depende de los objetivos del grupo humano que lo diseña y desarrolla.

La industria busca un mayor lucro en la operación de los procesos y por ello se buscan alternativas más eficientes de procesamiento y nuevos productos más competitivos.


BREVE RESEÑA HISTÓRICA BREVE RESEÑA HISTÓRICA

Década de los 50 Mainframes (Sistemas Operativo por lotes, tarjetas perforadas,

lenguaje de máquina). Primer lenguaje de alto nivel para ingenieros y científicos

(FORTRAN, Proyecto de la IBM, 1957). Poca interacción con el usuario. Simuladores de operaciones unitarias y de diagramas de flujo

limitados (Primera generación de simuladores entre ésta década y comienzos de la siguiente).

Creación de bibliotecas de programas para el cálculo de operaciones unitarias.

Primeros Simuladores de tipo secuencial – Primera generación (KELLOGG, FLEXIBLE FLOW-SHEET, PACER de Digital Systems Co., CHEVRON HEAT AND MATERIAL BALANCING PROGRAM)


BREVE RESEÑA HISTÓRICA BREVE RESEÑA HISTÓRICA Década de los 60 Sistemas Operativos multiusuario de tiempo compartido. Primeros microcomputadores. Nuevos lenguajes de programación (BASIC, PASCAL, ETC.) Consolidación de los primeros simuladores secuenciales de

propósito general (ICI, Monsanto, Exxon, BASF). Simuladores con módulos matemáticos estándar

interconectados en redes arbitrarias y flexibles.

Década de los 70 Simuladores de segunda generación (Mayor efectividad y

resolviendo un mayor número de problemas). Flowtran, Monsanto, Secuencial.

CACHE (Computer Aids for Chemical Engineering Education – 1972, Comité de la comisión de educación de la academia nacional de ingeniería de los Estados Unidos)

Primeros simuladores experimentales orientados por ecuaciones.

ASPEN (Advanced System for Process Engineering). Departamento de Energía de E.U.A - MITMSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez

SanabriaSanabria

BREVE RESEÑA HISTÓRICA BREVE RESEÑA HISTÓRICA

Década de los 80 en adelante Tercera generación marcada por la aparición de empresas

dedicadas al desarrollo, mantenimiento y comercialización de software de reconocida trayectoria.

HYSIM (Hysys) M.I.T. ASPEN (Advanced System for Process Engineering) DESIGN II, ChemCAD, entre otros. Primeros simuladores EO ( SPEEDUP, FLOWSIM, y otros)

Lenguajes de programación no procedulares. Computadores Personales. Nuevos simuladores (Cuarta generación) Inteligencia Artificial.


68 70 8684828078767472 929088

68 70 8684828078767472 929088

CHEOPE

SPAN

MASSBAL

ProSim

DESIGN II

FLOWSIM

SEQUEL

SPEEDUP

ASPEN

ASCEND

PROCESS

HYSIM

QUASILIN

FLOWTRAN

FLOWPACK – FLOWPACK II

ARQUITECTURA DEL SIMULADOR

Simultánea

Modular - Simultánea

Modular - Secuencial

G.B. Gran Bretaña

E.U. Estados Unidos

CAN. Canada

FRN. Francia

ITA. Italia

CONVENCIONES

SIM

ULA

DO

RP

AIS

DE

OR

IGE

N

AÑO

00 04 09

HYSYS

00 04 09

ITA.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

G.B.

G.B.

G.B.

G.B.

FRN.

CAN.


ESTRATEGIAS DE SIMULACIÓNESTRATEGIAS DE SIMULACIÓN

La estrategia tiene que ver con la manera de resolver el modelo del proceso y determina el funcionamiento e implica su flexibilidad.

ESTRATEGIA SECUENCIALESTRATEGIA SIMULTÁNEAESTRATEGIA HIBRIDA

La diferencia entre las dos puede ilustrarse mediante la forma en que calcula las variables asociadas a un diagrama de flujo. Proceso Simple Hysys

Proceso Simple Aspen



ESTRATEGIA SECUENCIALEl programa con base en la información disponible determina una secuencia de cálculo. Los valores calculados de las corrientes de salida de una unidad se utilizan como valores para las entradas a la siguiente unidad. Esto determina un orden de cálculo perfectamente consecutivo hasta cuando se encuentra que una corriente retorna a una unidad y que corresponde a un reciclo, o un equipo operando en contracorriente. Esto implica cálculo iterativo sobre alguna(s) corriente(s).

De una manera similar, las unidades en modo de diseño, o con especificaciones de diseño, involucran procesos iterativos.

Ésta estrategia resulta cada vez más difícil de aplicar a medida que aumenten los reciclos o unidades en modo diseño.



ESTRATEGIA SECUENCIAL

Un Modulo ejecutor toma la información de definición del diagrama de flujo y de las especificaciones para formular una secuencia de cálculo a cada modulo.

Los pasos que el modulo ejecutor sigue para detectar reciclos, seleccionar corrientes de corte y establecer unas secuencias de solución lógica, reciben los nombres de particionado, rasgado y ordenamiento, respectivamente.

Se debe disponer de bibliotecas de rutinas que contengan los modelos y los procedimientos de solución. De esta manera cada rutina puede ser optimizada independientemente.



ESTRATEGIA SIMULTÁNEAEn esta estrategia cada modulo aporta sus ecuaciones que representan su modelo matemático, y la suma coherente de éstos forman el modelo del proceso. Esta arquitectura implica la concentración de la pericia computacional para resolver el sistema globalmente. Esta estrategia se ha denominado como “Orientada por Ecuaciones OE”.

En la solución global del modelo se plantean dos alternativas para el caso general de un modelo no lineal:- Descomposición- Cuasilinearización- Otras alternativas



ESTRATEGIA SIMULTÁNEADescomposiciónDescomposición

Descomponer un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales consiste en dividir o partir el problema en subproblemas lo más pequeño posible de forma que se puedan resolver siguiendo alguna secuencia. Consta de dos fases: particionadoparticionado y ordenamientoordenamiento, en la primera se hayan los subsistemas y en la segunda se establece la secuencia.

CuasilinearizaciónCuasilinearización Involucra la linearización simultánea de todas las ecuaciones y la iteración sobre todas las variables. Los métodos de linearización de segundo o de orden inferior (NR o QN).

Otras alternativasOtras alternativas

Cuando un gran porcentaje de ecuaciones son lineales, se puede resolver primero este subsistema y luego incorporar la combinación lineal de variables con las ecuaciones no lineales restantes.Otra opción es plantearlo como un problema de optimización.



ESTRATEGIA HIBRIDAEs una mezcla de las dos anteriores por cuanto cada iteración consta de dos pasos; en el primero se resuelve el problema de ecuaciones del modelo de manera simultánea con cuasilinearización, y en el segundo, se actualizan los coeficientes no lineales mediante una solución de los modelos rigurosos de manera secuencial. A ésta estrategia también se le denomina modular simultánea. Cada módulo dispone de dos modelos: uno riguroso, al estilo de los simuladores secuenciales, y otro lineal, aproximado.

La simulación se hace resolviendo los modelos en una pasada por el diagrama de flujo (fase secuencial) e inmediatamente pasa a resolver los modelos linearizados en otra pasada por el diagrama (fase simultánea).Tienen una mayor velocidad de convergencia que los simuladores secuenciales.



Secuencial Modular (SM) Cada bloque de operación se resuelve de acuerdo a una

secuencia determinada Empleada para resolver un gran número de bloques

Orientada por Ecuaciones (OE) Todas las ecuaciones se resuelven de manera simultánea Es necesario un buen punto de partida

Combinación Emplear una SM para inicializar, llegando a un punto cercano a

la solución, posteriormente usar una OE para solucionar la simulación de forma más precisa

Usar una SM para lograr un acercamiento a la solución inicial, luego emplear una OE para realizar una optimización o una puesta a punto del modelo


APLICACIONES DE LA SIMULACIÓNAPLICACIONES DE LA SIMULACIÓN

Diseño de procesos Optimización Solución de problemas de operación Comercialización de procesos Enseñanza Otras aplicaciones:

Readaptación de un proceso existente a una nueva tecnología (revamping)

Ajuste del modelo o parámetros del modelo (Data reconciliation)

Flexibilidad del diseño de un procesoAnálisis de operabilidad, planeación de operaciones

en planta


MODO DE CÁLCULO DE UNA OPERACIÓNMODO DE CÁLCULO DE UNA OPERACIÓN

MODO DE APRECIACIÓN O RATING

Se especifica el equipo y las condiciones de entrada lo cual permite calcular las condiciones de salida.

MODO DE DISEÑO

Para este cálculo se parte de algunas especificaciones de diseño o se debe configurar o dimensionar el equipo.


MODELAMIENTO MATEMÁTICOMODELAMIENTO MATEMÁTICO

ALGEBRAICOS Equipos por etapas. Separadores, evaporadores,

torres de destilacion, etc.

DIFERENCIALES Equipos continuos. Intercambiadores, reactores

tubulares, torres empacadas, etc.

INTEGRO-DIFERENCIALES Reactores heterogeneos cataliticos, torre de

destilacion reactiva heterogenea.


MODELOS MATEMÁTICOSMODELOS MATEMÁTICOS

Los modelos diferenciales pueden convertirse en modelos algebraicos. Por medio de la discretización del campo continuo (variable discreta)

Mediante aproximaciones en el modelo diferencial lo cual permite obtener la solución integrada (modelo algebraico)


PROCESOPROCESO

OPERACIÓN UNITARIA SENCILLA Separador, mezclador, intercambiador, torre, etc.

PROCESO SENCILLO Reactor, destilación reactiva, etc.

PROCESO COMPLEJO Planta de producción de metanol, producción de

formaldehído, etc.


QD

2 1

3U1

V1

V2

N-1

j+1

N QB

LN

W2

W3

L1

U2

Wj+1

Uj

F2

F3 Q3

Qj

Qj+1Fj+1

Fj

QN-2

QN-1

FN-2

FN-1

VN

MODELAMIENTO Y CÁLCULO NUMÉRICO DE UNA MODELAMIENTO Y CÁLCULO NUMÉRICO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION COMPLEJACOLUMNA DE DESTILACION COMPLEJA


Esquema de una torre de destilación complejaMSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez SanabriaSanabria

Fj

fi,j

zi,j

HFj

Qj

Lj-1

li,j-1xi,j-1

hj-1

Vj

vi,j

yi,j

Hj

Vj+1

vi,j+1

yi,j+1

Hj+1

Lj

li,jxi,j

hj

ETAPA IDEAL J

Uj

sj

Wj

Sj

ETAPA IDEAL


0zFyVxULyWVxLT,V,xMj,ij1j,i1jj,ijjj,ijj1j,i1jjjj,ij,i

j,ij,ij,ijjj,ij

xKyT,V,xE

1yT,V,xSC

1ij,ijjj,ij

1xT,V,xSC

1ij,ijjj,ij

0QHFHVhULHWVHLT,V,xHjFjj1j1jjjjjjj1j1jjjj,ij

ECUACIONES MESH

EXCEL1 EXCEL2MSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez

SanabriaSanabria

SIMULADORES DE PROCESOSSIMULADORES DE PROCESOS

ComercialesNecesidades de la industria química, no pedagógicos.

Aspen Engineering Suite 12.1 (incluye ASPEN PLUS, ASPEN DYNAMICS, ASPEN PINCH, ASPEN SPLIT, BATCH PLUS, BJAC, etc.)

HYSYS.Plant 3.2CHEMCAD 5.2.1 Process Engineering Suite (incluye PRO/II,

HEXTRAN, etc)SUPERPRO DESIGNER 4.9 (incluye BatchPro,

EnviroPro y BioPro Designer)


SIMULADORES DE PROCESOSSIMULADORES DE PROCESOS

AcadémicosIntención de enseñar, modelar, realizar cálculos e interpretar.

Módulos TutorialesMódulos SimuladoresProgramas específicos para hacer análisis de casos

particulares

TUTORIAL DE DESTILACIÓNMÓDULO DE REACTORES

PROGRAMA DE EVAPORADORESMSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez

SanabriaSanabria

MÓDULOS TUTORIALES Y MÓDULOS TUTORIALES Y SIMULADORES (1)SIMULADORES (1)

APLICACIÓN INTEGRAL DE HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN, EVALUACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS, EN LA IMPLEMENTACIÓN DE PRODUCCIÓN ÓXIDO DE ETILENO. En fase de realización, elaborado por Javier Chavarro y Marcelo Díaz. 2004

MÓDULO TUTORIAL DE REACTORES TUBULARES EN FASE GASEOSA. MODELOS HOMOGÉNEO Y PSEUDOHOMOGÉNEO BIDIMENSIONALES. Elaborado por el estudiante Diego Calderón. 2003.

MÓDULO BÁSICO DE CATÁLISIS HETEROGÉNEA. Elaborado por la estudiante Marcia Carolina Araque. 2003

MÓDULO SIMULADOR DE INTERCAMBIADORES DE PLACAS. Elaborado por el estudiante Juan Pablo León. 2003

DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO SIMULADOR DE REACTORES TUBULARES EN FASE GASEOSA, BAJO MODELOS HOMOGÉNEO Y PSEUDOHOMOGÉNEO. Donifan Barahona y Angela Rodríguez. 2002.


MÓDULOS TUTORIALES Y MÓDULOS TUTORIALES Y SIMULADORES (2)SIMULADORES (2)

MÓDULO TUTORIAL DE SECADO. Elaborado por los estudiantes Leonardo Rojas y Alfredo Marulanda. 2001

MÓDULO TUTORIAL DE TORRES DE DESTILACIÓN BATCH. Norman Peña y Juan Carlos Alvarado. 2001.

MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN REACTIVA. Ing. Mario Andrés Céspedes. Tésis de Maestría. 2000.

MODULO SIMULADOR DE REACTORES QUÍMICOS. Elaborado por Luis Gerardo Zalamea. 2000.

MODULO TUTORIAL DE TORRES DE DESTILACIÓN POR ETAPAS. Gustavo A. Rodríguez y Juan Carlos Rosas. 1999.


BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

Seider W. D., Seader J. D., Lewin D.R. Prouct and Process Design principles. John Wiley & Sons Inc. Second Edition. 2004.

Seider and Henley. Separation Process principles. John Wiley. 1998.

Fogler Scott. H. Elements of Chemical Reaction Engineering. Prentice Hall International Third edition 1999.

Douglas, L.T. Conceptual design of chemical processes. McGraw-Hill.

Himmenblau Edgar T. F, D. M. Optimization of chemical processes. McGraw-Hill, 1988.

Carnahan, B., Luther, A. Cálculo numérico. Métodos, aplicaciones. Editorial. Rueda. Madrid, 1979.

Constantinides. A. Applied numerical methods with personal computers. McGraW-Hill Book Co, 1988.

Doraswamy, L., Sharma, M. Heterogeneous reactions: Analysis, examples and reactor design. John Wiley & Sons. 1984.


BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

Froment, G. F., Bischoff, K. Chemicals reactors analysis and design. John Wiley & Sons, 1979.

Rase, H. F. Chemical reactors design for process plants. Vol. 1, New York, John Wiley & Sons. 1977.

Holland,C. Fundamentos de destilación de mezclas multicomponentes. McGraw-Hill Book Co, 1974.

Ross Taylor, Krishna R. Multicomponent mass transfer. Wiley & Sons Inc. 1993.

Rangel Jara Hermes A. Análisis Conceptual, Modelamiento y Cálculo Numérico en Ingeniería Química. Libro en fase de corrección para publicación. Aplicaciones correspondientes a temas de Transferencia de Calor, Masa, Reactores Químicos y Simulación de Procesos. 2004.

Adames Pablo, Stern Victor. Desarrollo de un simulador de procesos químicos en estado estacionario orientado por ecuaciones: arquitectura del programa interfaz gráfica. Universidad Nacional de Colombia. 1992.


Interfaz del UsuarioInterfaz del Usuario

Barra deHerramientas

Barra deTítulo

Nombre de la Corrida

Barra Menú

Botón Next

Botón de Selecciónde Modo

Línea deAyuda

Área de Estado

Librería de Modelos

Etiquetas de laLibrería de Modelos

Ventana delDiagrama delProceso


SEPARADOR DE DOS FASES (FLASH_2)SEPARADOR DE DOS FASES (FLASH_2)

PRESIÓN 600 PSIA

TEMPERATURA -16 F

FLUJO MOLAR 144 LBMOL/HR

FRACCIÓN MOLAR

METANO 0.4861

ETANO 0.1389

PROPANO 0.0694

IBUTANO 0.0625

NBUTANO 0.0556

IPENTANO 0.0486

NPENTANO 0.0417

NHEXANO 0.0486

NHEPTANO 0.0278

NOCTANO 0.0208

ALIMENTO


PROCESO SIMPLE

ALIME

RECICLOBOMBA

TE

EXPANDER

SEPA_1

SEPVAP_1

SEPLIQ_1

SEPA_2

SEPVAP_2

SEPLIQ_2

RECICLO

PRODUCTO

RETORNO

MEZCLA

ALIME 2MEZCLADOR


PRESIÓN 600 PSIA

TEMPERATURA 60 F

FLUJO MOLAR 2635.34 LBMOL/HR

ALIMENTO

MEZCLADOR: PRESIÓN 600 PSIAEXPANDER: PRESIÓN DE SALIDA 300 PSIATE: FLUJO MOLAR DE LA CORRIENTE PRODUCTO IGUAL A 0.5 SEP_LIQ2BOMBA: PRESIÓN DE SALIDA 600 PSIA

IMPLEMENTACIÓN DE UNPROCESO SIMPLE

FRACCIÓN MOLAR

N2 0.0069

CO2 0.0138

METANO 0.4827

ETANO 0.1379

PROPANO 0.0690

IBUTANO 0.0621

NBUTANO 0.0552

IPENTANO 0.0483

NPENTANO 0.0414

NHEXANO 0.0345

NHEPTANO 0.0276

NOCTANO 0.0206

Montaje AspenMSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez SanabriaSanabria

MULTIPLES RECICLOSMULTIPLES RECICLOS

Aspen_Tears

Aspen UsuarioMSc. Harvey Andres Milquez MSc. Harvey Andres Milquez

SanabriaSanabria


Presion de descarga de los compresores: Presion de descarga de los compresores: 205,505 y 1005 psia, caida de presion en los 205,505 y 1005 psia, caida de presion en los

intercambiadores 5psia, temperatura de intercambiadores 5psia, temperatura de salida de los tres intercambiadores 120 °F, salida de los tres intercambiadores 120 °F,

no hay caidad de presión en los mezcladores no hay caidad de presión en los mezcladores y en los separadores, no hay carga de calor y en los separadores, no hay carga de calor

en los separadores.en los separadores.
